Ondes : intensité sonore, atténuation et effet Doppler
Intensité sonore et niveau d’intensité sonore L = 10 log(I/I₀) ; addition des intensités de plusieurs sources ; atténuation en décibels, atténuation géométrique d’une source ponctuelle et atténuation par absorption ; effet Doppler, établissement et exploitation du décalage Doppler pour mesurer une vitesse, en acoustique et pour la lumière.
À propos de cette page
Dix-huit exercices corrigés de terminale, trois par cas, du plus simple au plus difficile : niveaux dans le hall d’une gare, micro et puissance reçue, haut-parleurs ajoutés, machines d’un atelier, raies d’une voix chantée, sirène isotrope, marteau-piqueur, casque antibruit, absorption par l’air, sirène d’alerte entendue au loin, démonstration du décalage Doppler, hélicoptère de secours, train qui traverse une gare, vitesse d’un gyropode et d’un sous-marin, étoile double.
18 exercices, classés par cas comme le cours. Écris ta réponse, puis « Vérifier ».
Cas 1Intensité sonore et niveau d’intensité sonore
Réflexe — Je forme le rapport I/I₀, sans unité, puis L = 10 log(I/I₀) ; dans l’autre sens, I = I₀ × 10^(L/10). Le logarithme est décimal. Revoir la méthode →
Exercice 1★★★Facile
Dans le hall d’une gare, un sonomètre affiche 58 dB au calme, puis 84 dB à l’arrivée d’un train. On donne I₀ = 1,0 × 10⁻¹² W·m⁻².
Intensité sonore à 58 dB : I₁ ≈ × 10⁻⁷ W·m⁻²
6,3 × 10⁻⁷ W·m⁻².
Intensité sonore à 84 dB : I₂ ≈ × 10⁻⁴ W·m⁻²
2,5 × 10⁻⁴ W·m⁻².
Facteur par lequel l’intensité a été multipliée : ≈ (arrondi à la centaine)
400, alors que le niveau n’a augmenté que de 26 dB.
Niveau qui correspondrait à une intensité 1 000 fois plus faible que celle mesurée à l’arrivée du train : dB
Diviser par retire dB : 54 dB.
Exercice 2★★★Moyen
On donne I₀ = 1,0 × 10⁻¹² W·m⁻². Les questions sont indépendantes.
Dans une bibliothèque, I = 4,0 × 10⁻⁸ W·m⁻² : L ≈ dB (au dixième)
46,0 dB.
Un élève calcule 10 ln(I/I₀) pour la même bibliothèque, avec la touche « ln » : il trouve ≈ dB (au dixième)
106,0 : valeur fausse, plus de deux fois trop grande. La définition utilise le logarithme décimal.
Près d’un avion à réaction au décollage, L = 130 dB : I = W·m⁻²
10 W·m⁻² : dix fois l’intensité du seuil de douleur (120 dB, 1,0 W·m⁻²), pour 10 dB de plus seulement.
Une intensité de 5,0 × 10⁻¹³ W·m⁻² correspond à L ≈ dB (au dixième)
−3,0 dB : un niveau négatif signifie une intensité inférieure à , inaudible à 1 000 Hz.
Le niveau passe de 46 dB à 76 dB : l’intensité est multipliée par
dB, soit : l’intensité est multipliée par 1 000.
Exercice 3★★★Difficile
La membrane d’un microphone, de surface cm², est perpendiculaire à la direction de propagation d’un son. Elle reçoit une puissance sonore W. On donne W·m⁻².
Intensité sonore reçue : I = × 10⁻⁷ W·m⁻²
m² ; 3,6 × 10⁻⁷ W·m⁻². Les cm² se convertissent en m² : 1 cm² = 10⁻⁴ m².
Niveau d’intensité sonore : L ≈ dB (au dixième)
55,6 dB.
Pour que l’auditeur perçoive ce son « deux fois plus fort », le niveau doit atteindre ≈ dB (au dixième)
Un son paraît deux fois plus fort pour environ dB : 65,6 dB.
Puissance alors reçue par la membrane : P = nW (au centième)
dB multiplie l’intensité, donc la puissance reçue par la même surface, par 10 : W, soit 0,54 nW.
Niveau pour lequel la membrane recevrait 1,0 µW : L ≈ dB (au dixième)
W·m⁻², puis 98,2 dB : un son très fort, au-delà du seuil de risque.
Cas 2Plusieurs sources : additionner les intensités
Réflexe — Niveaux → intensités (I = I₀ × 10^(L/10)) → somme → niveau total ; N sources identiques ajoutent 10 log N. On n’additionne jamais des décibels. Revoir la méthode →
Exercice 4★★★Facile
Un haut-parleur seul produit, en un point d’une salle, un niveau d’intensité sonore de 73 dB. On ajoute d’autres haut-parleurs identiques, placés au même endroit.
Avec deux haut-parleurs : L = dB
L’intensité double : 76 dB, et non 146 dB.
Avec quatre haut-parleurs : L = dB
79 dB.
Nombre de haut-parleurs pour atteindre 83 dB :
dB = intensité multipliée par 10 : il faut 10 haut-parleurs.
Avec huit haut-parleurs : L = dB (à l’unité)
82 dB : chaque doublement du nombre de sources ajoute 3 dB.
Exercice 5★★★Moyen
Dans un atelier, une machine A produit seule un niveau de 88 dB au poste de travail, une machine B seule 91 dB au même endroit. À partir de 85 dB(A) d’exposition quotidienne, le Code du travail impose à l’employeur un programme de mesures pour réduire l’exposition. On donne I₀ = 1,0 × 10⁻¹² W·m⁻².
Intensité due à la machine A : I_A ≈ × 10⁻⁴ W·m⁻²
6,3 × 10⁻⁴ W·m⁻².
Intensité due à la machine B : I_B ≈ × 10⁻³ W·m⁻²
1,3 × 10⁻³ W·m⁻².
Les deux machines ensemble : L ≈ dB (au dixième)
Les intensités s’additionnent : W·m⁻², d’où 92,8 dB : 1,8 dB seulement au-dessus de la machine B.
Facteur par lequel il faudrait diviser l’intensité totale pour revenir à 85 dB : ≈ (deux chiffres significatifs)
6,0.
Atténuation correspondante : ≈ dB (au dixième)
7,8 dB, c’est aussi 92,8 − 85 : capotage des machines ou protections auditives sont nécessaires.
Exercice 6★★★Difficile
Une chanteuse tient une note devant un microphone relié à un analyseur de spectre, qui relève quatre raies : 233 Hz à 78 dB, 466 Hz à 72 dB, 699 Hz à 69 dB et 932 Hz à 61 dB. Comme pour des sources indépendantes, les intensités des raies s’additionnent. On donne I₀ = 1,0 × 10⁻¹² W·m⁻².
Intensité de la raie à 233 Hz : × 10⁻⁵ W·m⁻²
6,31 × 10⁻⁵ W·m⁻².
Intensité totale des quatre raies : × 10⁻⁵ W·m⁻²
, , W·m⁻² ; somme : 8,81 × 10⁻⁵ W·m⁻².
Niveau total : dB (à l’unité)
, soit 79 dB : à peine plus que la raie la plus forte.
Une deuxième chanteuse chante la même note au même niveau : total ≈ dB (à l’unité)
Deux sources identiques : dB, soit 82 dB.
Pour une seule chanteuse, un filtre supprime la raie à 233 Hz : niveau des trois autres ≈ dB (au dixième)
W·m⁻² ; 74,0 dB : la raie la plus forte portait plus des deux tiers de l’intensité.
Un élève additionne les quatre niveaux et obtient dB, une valeur absurde
280 dB, bien au-delà du seuil de douleur : les décibels ne s’additionnent pas.
Cas 3Atténuation et atténuation géométrique
Réflexe — A = L₁ − L₂ = 10 log(I₁/I₂) ; source ponctuelle isotrope : I = P/(4πd²) et A = 20 log(d₂/d₁) ; l’intensité est divisée par 10^(A/10). Revoir la méthode →
Exercice 7★★★Facile
Les questions sont indépendantes ; les sources sont ponctuelles et isotropes, sans absorption.
94 dB en un point 1, 79 dB en un point 2 : atténuation A = dB
15 dB.
Pour cette atténuation, l’intensité est divisée par ≈ (à l’unité)
32.
La distance à la source est multipliée par 4 : A = dB (au dixième)
12,0 dB : l’intensité est divisée par .
L’intensité est divisée par 1 000 : A = dB
30 dB.
Une atténuation géométrique de 40 dB : la distance a été multipliée par
, donc et 100.
Exercice 8★★★Moyen
Une sirène d’alarme, assimilée à une source ponctuelle isotrope, rayonne une puissance sonore P = 1,8 W. On néglige l’absorption et les réflexions ; I₀ = 1,0 × 10⁻¹² W·m⁻².
Intensité à 5,0 m : I ≈ × 10⁻³ W·m⁻²
5,73 × 10⁻³ W·m⁻².
Niveau à 5,0 m : L ≈ dB (au dixième)
97,6 dB, au-dessus du seuil de risque.
Distance à laquelle le niveau n’est plus que de 74 dB : d ≈ m (à l’unité)
W·m⁻², puis m, soit environ 76 m.
Atténuation entre 5,0 m et cette distance : ≈ dB (au dixième)
23,6 dB ; vérification : dB.
Exercice 9★★★Difficile
Un marteau-piqueur, assimilé à une source ponctuelle isotrope, produit un niveau d’intensité sonore L₁ = 108 dB à 1,0 m de l’outil. Un riverain habite à 45 m. On néglige l’absorption ; I₀ = 1,0 × 10⁻¹² W·m⁻².
Intensité à 1,0 m : I₁ ≈ × 10⁻² W·m⁻²
6,31 × 10⁻² W·m⁻².
Puissance sonore du marteau-piqueur : P ≈ W (au centième)
À 1,0 m, toute la puissance traverse la sphère de rayon 1,0 m : 0,79 W. Moins d’un watt suffit à faire un vacarme.
Niveau chez le riverain : ≈ dB (au dixième)
, donc ( en mètres) : 74,9 dB.
Distance minimale pour rester sous 80 dB : ≈ m (au dixième)
, donc et 25,1 m : impossible pour l’ouvrier qui tient l’outil, d’où la protection auditive obligatoire.
Un deuxième marteau-piqueur identique travaille à côté du premier : niveau chez le riverain ≈ dB (à l’unité)
Deux sources identiques : dB, soit 78 dB.
Cas 4Atténuation par absorption
Réflexe — Les atténuations s’ajoutent en décibels : L₂ = L₁ − A_géom − A_abs ; dans l’air, A_abs = α × d, avec α en dB/km, plus grand pour les aigus. Revoir la méthode →
Exercice 10★★★Facile
Un menuisier travaille près d’une ponceuse à bande : 102 dB à son poste. Il porte un casque antibruit annoncé pour une atténuation de 27 dB.
Niveau qui parvient à ses oreilles : dB
75 dB : on retire l’atténuation, on ne divise pas le niveau.
Facteur de division de l’intensité : ≈ (à l’unité)
501.
Fraction de l’intensité qui atteint l’oreille : ≈ % (au centième)
, soit 0,20 % : le casque absorbe ou renvoie presque toute l’énergie sonore.
Entre la ponceuse et un collègue, on place deux plaques identiques atténuant chacune de 9 dB : atténuation totale dB
Les atténuations successives s’ajoutent : 18 dB.
Ces deux plaques divisent l’intensité par ≈ (à l’unité)
Les facteurs se multiplient : 63, et non .
Exercice 11★★★Moyen
Dans l’air à 20 °C et 70 % d’humidité, le coefficient d’absorption vaut α = 5,0 dB/km à 1 000 Hz et α = 23 dB/km à 4 000 Hz. Une source ponctuelle isotrope émet ces deux sons au même niveau : 100 dB à 10 m. Un auditeur est à 1 500 m ; on applique l’absorption sur 1,5 km.
Atténuation géométrique entre 10 m et 1 500 m : ≈ dB (au dixième)
43,5 dB, la même pour les deux sons.
Absorption par l’air à 1 000 Hz : dB (au dixième)
7,5 dB.
Niveau reçu à 1 000 Hz : ≈ dB (au dixième)
49,0 dB.
Niveau reçu à 4 000 Hz : ≈ dB (au dixième)
dB, donc 22,0 dB.
De loin, le son a surtout perdu ses (graves / aigus)
L’air absorbe bien davantage les hautes fréquences : à 1 500 m, le son de 4 000 Hz est 27 dB sous celui de 1 000 Hz, alors qu’ils avaient le même niveau à 10 m. Le son lointain a surtout perdu ses aigus : il paraît plus sourd.
Exercice 12★★★Difficile
Une sirène d’alerte, assimilée à une source ponctuelle isotrope, produit 112 dB à 20 m pour son son de 1 000 Hz. Une maison est à 1,6 km de la sirène. Dans l’air, α = 5,0 dB/km à 1 000 Hz (absorption appliquée sur 1,6 km). Les fenêtres fermées apportent une atténuation de 28 dB ; dans la maison, le bruit de fond vaut 30 dB.
Atténuation géométrique entre 20 m et 1,6 km : ≈ dB (au dixième)
38,1 dB.
Absorption par l’air : dB (au dixième)
8,0 dB.
Niveau devant la maison : ≈ dB (au dixième)
65,9 dB.
Niveau dû à la sirène dans la maison, fenêtres fermées : ≈ dB (au dixième)
37,9 dB.
Niveau total dans la maison, bruit de fond compris : ≈ dB (au dixième)
On additionne les intensités : W·m⁻², soit 38,6 dB : la sirène dépasse nettement le bruit de fond, l’alerte est entendue.
Cas 5L’effet Doppler : observer, interpréter, établir
Réflexe — Émetteur qui se rapproche : crêtes resserrées, λ_R = (v − v_E)T_E et fréquence reçue plus grande ; qui s’éloigne : λ_R = (v + v_E)T_E et fréquence reçue plus petite. Revoir la méthode →
Exercice 13★★★Facile
Un hélicoptère de secours survole une route en ligne droite, à vitesse constante et à faible hauteur, en émettant un son de fréquence f_E. Réponds par « supérieure », « inférieure » ou « égale », ou par le mot demandé.
Pour le pilote, la fréquence perçue est à f_E
Le pilote est immobile par rapport à l’émetteur : aucun effet Doppler, fréquence égale.
Pour un piéton vers lequel l’hélicoptère arrive, la fréquence perçue est à f_E
L’émetteur se rapproche : crêtes resserrées, fréquence reçue supérieure, son plus aigu.
Une fois l’hélicoptère passé, la fréquence perçue par ce piéton est à f_E
L’émetteur s’éloigne : crêtes espacées, fréquence inférieure, son plus grave.
Devant l’hélicoptère, la longueur d’onde reçue est plus (courte / longue) que la longueur d’onde émise
: plus courte.
L’hélicoptère se pose à 50 m du piéton, moteur allumé : la fréquence perçue redevient à f_E
Émetteur et récepteur sont immobiles l’un par rapport à l’autre : fréquence égale, même si le son reste fort.
Exercice 14★★★Moyen
Un émetteur E émet un son de fréquence Hz en se rapprochant d’un micro fixe R à la vitesse m·s⁻¹ ; la célérité du son vaut m·s⁻¹. On suit le raisonnement du cours.
Période émise : T_E = ms
s = 2,00 ms.
Distance parcourue par une crête pendant T_E : m
0,680 m.
Distance parcourue par l’émetteur pendant T_E : m
0,0400 m.
Distance entre deux crêtes reçues : λ_R = m
0,640 m.
Fréquence reçue : f_R ≈ Hz (à l’unité)
531 Hz, comme .
Décalage Doppler : Δf ≈ Hz (à l’unité)
+31 Hz, positif car l’émetteur se rapproche.
Exercice 15★★★Difficile
Un train à grande vitesse traverse une gare sans s’arrêter, en ligne droite, à m·s⁻¹ ; son avertisseur émet un son de fréquence Hz. Un voyageur attend sur le quai ; m·s⁻¹. On considère les instants où le train est encore loin du voyageur, en approche, puis loin après son passage.
Fréquence reçue en approche : f_R ≈ Hz (à l’unité)
Écart relatif entre cette valeur et le décalage exact en approche : ≈ % (à l’unité)
, soit 18 % : n’est pas assez petite devant pour utiliser l’approximation.
Cas 6Exploiter le décalage Doppler : mesurer une vitesse
Réflexe — En approche : v_E = v (f_R − f_E)/f_R ; en éloignement : v_E = v (f_E − f_R)/f_R. Pour la lumière : |Δλ|/λ_E ≈ v_E/c, décalage vers le rouge si la source s’éloigne. Revoir la méthode →
Exercice 16★★★Facile
Un gyropode porte un avertisseur qui émet un son de fréquence Hz ; m·s⁻¹. Un micro fixe enregistre le son.
Le gyropode s’approche et le micro reçoit 1 506 Hz : v_E ≈ m·s⁻¹ (au dixième)
1,4 m·s⁻¹.
Cette vitesse vaut ≈ km·h⁻¹ (à l’unité)
5 km·h⁻¹, une allure de marche.
Un élève divise par f_E au lieu de f_R : il trouve m·s⁻¹ (au centième)
1,36 m·s⁻¹, au lieu de 1,35 m·s⁻¹ : l’écart est faible ici car , mais la formule exacte divise par .
Le gyropode s’éloigne ensuite à la même vitesse : le micro reçoit ≈ Hz (à l’unité)
1 494 Hz.
Exercice 17★★★Moyen
Un sous-marin émet sous l’eau un signal de fréquence kHz. Un hydrophone fixe, vers lequel il se dirige, reçoit kHz. Dans l’eau de mer, m·s⁻¹ ; dans l’air, 340 m·s⁻¹.
Vitesse du sous-marin : v_E ≈ m·s⁻¹ (au dixième)
14,9 m·s⁻¹.
Vitesse du sous-marin en km·h⁻¹ : ≈ (à l’unité)
53 km·h⁻¹.
Longueur d’onde reçue par l’hydrophone : ≈ cm (au dixième)
m, soit 29,7 cm (contre 30,0 cm émis).
Avec la même vitesse, un son de 5,000 kHz émis dans l’air serait reçu à ≈ Hz (à l’unité)
5 228 Hz : le décalage est bien plus grand dans l’air, où la célérité est plus faible.
Exercice 18★★★Difficile
Dans le spectre d’une étoile d’un système double, on suit une raie du sodium de longueur d’onde nm au laboratoire. Un premier soir, elle est mesurée à nm ; six jours plus tard, à nm. On donne m·s⁻¹.
Premier soir : Δλ = nm
−0,10 nm.
Ce premier soir, l’étoile (se rapproche / s’éloigne)
: décalage vers le bleu, l’étoile se rapproche.
Vitesse radiale ce soir-là : ≈ km·s⁻¹ (à l’unité)
m·s⁻¹, soit 51 km·s⁻¹.
Six jours plus tard, elle s’éloigne à ≈ km·s⁻¹ (à l’unité)
nm (vers le rouge) : 81 km·s⁻¹. Le sens change : l’étoile tourne autour de sa compagne.
Premier soir, décalage en fréquence : Δf ≈ + × 10¹⁰ Hz
Hz et 8,6 × 10¹⁰ Hz, positif : la fréquence augmente quand la source se rapproche.
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